（光学工程专业论文）gaas光电阴极自动激活技术研究.pdf

硕士论文 摘要 g a a s 光电阴极具有量子效率高，暗发射小，发射电子的能量分布及角分布集中， 长波阈可调，长波响应扩展潜力大等优点，在高性能微光像增强器、自旋电子学等众多 领域获得了广泛的应用。 国内g a a s 负电子亲和势光电阴极的激活制备过程尚处于人工操作阶段，人为因素 造成的误差在一定程度上限制了g a a s 光电阴极的成品率。若由计算机精确控制g a a s 阴极的激活过程，则可避免人为因素带来的不确定性和对经验的依赖，显著提高阴极的 成品率和生产效率。本文在此背景下研究了g a a s 光电阴极自动激活技术，主要内容如 下： 首先，介绍了n e ag a a s 光电阴极国内外的发展现状及应用，分析了g a a s 光电阴 极的性能参量。 其次，介绍了g a a s 光电阴极激活原理及光谱响应测试原理。重点介绍了g a a s 光 电阴极c s 、o 激活过程的整个工艺流程以及光谱响应的有关计算及测试方法。 最后，介绍g a a s 光电阴极自动激活系统的研制，包括硬件设计，软件编写。利用 该系统进行了g a a s 光电阴极自动激活实验，实验激活过程中c s 、o 交替9 次，激活后 g a a s 光电阴极的积分灵敏度达到了1 1 0 0 p a l m 。 关键字：g a a s 光电阴极，自动，激活，光谱响应，测试 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t g a a sp h o t o c a t h o d eh a sm a n y v i r t u e s ，s u c ha sh i g hq u a n t u me f f i c i e n c y , l o wd a r kc u r r e n t ， c o n c e n t r a t e de l e c t r o n se n e r g yd i s t r i b u t i o na n da n g l ed i s t r i b u t i o n ，g r e a tp o t e n t i a lt oe x t e n dt h e l o n g - w a v es p e c t r a lr e s p o n s ew a v e b a n d ，s oi t i sw i d e l yu s e di nal o to ff i e l d ，l i k eh i 曲 p e r f o r m a n c eg l i m m e ri m a g ei n t e n s i f i e r , s p i ne l e c t r o n i c sa n d s oo n i nt h ed o m e s t i c ，n e ag a a sp h o t o c a t h o d ei sa c t i v a t e db ym a n u a lo p e r a t i o n ，w h i c hb r i n g s a b o u ts o m ee r r o r sa n dr e s t r i c t st h er a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t so fg a a sp h o t o c a t h o d et oac e r t a i n d e g r e e i fi ti sc o n t r o l l e db yc o m p u t e r , w ec a na v o i dt h eu n c e r t a i n t ya n de x p e r i e n t i a l d e p e n d e n c ew h i c hi sp r o d u c e db yh u m a nf a c t o r s ，a n da sar e s u l t ，i tw i l la d v a n c et h er a t eo f f i n i s h e dp r o d u c t sa n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yr e m a r k a b l y t h i sd i s s e r t a t i o nd e e p l ye x p l o r e s a u t o a c t i v a t i o nt e c h n i q u eo fg a a sp h o t o c a t h o d e t h ei m p o r t a n tc o n t e n t sa l es u m m a r i z e d b e l o w f i r s t ，t h e d i s s e r t a t i o nb r i e f l yi n t r o d u c e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t eo fg a a s p h o t o c a t h o d ea th o m ea n da b r o a d ，a n da n a l y s e st h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s s e c o n d ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ea c t i v a t i o na n ds p e c t r a lr e s p o n s et e s te l e m e n t so f g a a sp h o t o c a t h o d e ，w h i l e ，i te m p h a s e st h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fc s 、oa c t i v a t i o na n dt h e c a l c u l a t i o na n dt e s tm e t h o do fs p e c t r a lr e s p o n s e f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t o fg a a s p h o t o c a t h o d e a u t o - a c t i v a t i o ns y s t e m ，i n c l u d eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ec o m p i l e a u t o a c t i v a t i o n p r o c e s so fg a a sp h o t o c a t h o d ei so p e r a t e db yt h es y s t e m ( c s ，0 ) a l t e r n a t i o nn u m b e ro f a u t o - a c t i v a t i o np r o c e s si s9 ；i n t e g r a t e ds e n s i t i v i t yo fa c t i v a t e dg a a sp h o t o c a t h o d ei s 110 0 i _ t a l m k e y w o r d ：g a a s p h o t o c a t h o d e ，a u t o ，a c t i v a t i o n ，s p e c t r a lr e s p o n s e ，t e s t i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 砷年6 月1 锢 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 弘。1 年月阳 硕士论文g a a s 光电阴极自动激活技术研究 1 绪论 1 1n e ag a a s 光电阴极的发展 1 1 1n e ag a a s 光电阴极的发现和发展 光电效应包括外光电效应和内光电效应。外光电效应 是指光照射样品时，样品吸 收光子能量的电子，其中部分具有较大的动能，具有向表面运动动量，这些电子克服表 面势垒，逸出到真空，形成光电子发射，即称为外光电效应；若光照射样品，样品吸收 光子后激发新的载流子，增加光电导或者使固体产生电动势，则为内光电效应。光电阴 极就是指能够利用外光电效应发射光电子，从而把光信号转变为电信号的一种功能材 料。 光电阴极作为电子束光电器件中不可缺少的一个组成部分，受到了许多科研工作者 的重视，也加快了光电阴极的发展。在二十世纪三十年代至六十年代，共有六种主要的 光电阴极被发现【2 1 ，分别是1 9 3 0 年发现的a g o c s 光电阴极，1 9 3 6 年发现的c s 3 s b 光电 阴极，1 9 3 8 年发现的b i a g o c s 光电阴极，1 9 5 5 年发现的n a 2 k s b 光电阴极，n a 2 k s b c s 光电阴极，1 9 6 3 年发现的k 2 c s s b 光电阴极。 在光电阴极的发展史上，真正具有重要意义的是g a a s 负电子亲和势( n e a ) 光电 阴极的出现，它和以往靠实验和运气等具有偶然性的发现不同，它是在一定的理论研究 下产生的，是光电阴极发展史上的一次质的飞跃。根据s p i c e r 著名的光电发射理论【3 j ， 若阴极材料的有效电子亲和势小于零( 即材料表面真空能级低于材料体内导带底能级) ， 那么光照射激发产生的光电子若能够从阴极的体内到达阴极的表面，光电子就可以容易 地发射到真空中，不用过剩的动能来克服阴极材料的表面势垒，这样就大大增加了光电 子的逸出几率和逸出深度，也大大提高了发射效率。在1 9 6 5 年，j j s c h e e r 和j v a r d 一卅 也证实了这一理论。在三年以后，a a t u m b u l l 和g b e v a n s 又发现用c s 、o 交替覆盖 g a a s 表面比单单使用c s 覆盖能够得到更高的光电发射和更负的有效电子亲和势【5 刁】。 这在光电阴极发展史上具有里程碑意义。 1 1 2g a a s 光电阴极的研究历程 g a a sn e a 光电阴极作为微光夜视领域的一个重要组成部分，使其成为光电阴极研 究中的一个重点，经过三十多年对其在材料、制备方法、内部结构等方面深入的研究， g a a sn e a 光电阴极的理论体系已经相当完善，制备工艺也十分成熟。g a a s 是闪锌矿 结构直接禁带半导体，具有很好的光电发射特性，在可见光到近红外波段间具有比较高 的光吸收系数，并且g a a s 具有良好的体掺杂性，禁带宽度为1 4 e v ，使得光生载流子 有足够的扩散长度，并且容易形成负电子亲和势状态。这些优点使得g a a s 成为制作n e a 碗：t 论文 光电阴极的主要材料。 g a a s 光电阴极有两种工作方式：反射式和透射式口】。最初实验研究得较多的是反 射式阴极，因为它的制各相对简单一些。但由于透射式g a a s 光电阴极比较符合微光夜 视器件的光路结构，实际应用主要以透射式g a a s 光电阴极为主，三代像增强器就是由 透射式g a a s 光电阴极与m c p 组成。 由于透射式阴极发射层比较容易碎裂，研究人员就给阴极加了蓝宝石、白宝石、尖 晶石、g a p 、g a a s 和玻璃等衬底层，以起到加固和支撑的作用。但由此又出现了新的问 题，就是如果发射层和衬底层直接相连，由于它们之间的晶格常数不一致，会导致晶格 失配，从而严重影响g a p s 光电阴极的光电发射性能。在经过人们的深入研究后发现， 若在发射层和村底层之间加入一个晶格常数和发射层相近的缓冲层，则品格失配就被转 移| 4 衬底层缓冲层界面，而缓冲层的厚度一般比较厚，因此衬底层缓冲层界面上的晶 格失配传到缓冲层，发射层界面上的几率不大，这样就解决了晶格失配的问题。一般用于 缓冲层的材料有g a a l a s 、i n g a a s p 、g a a s p 等【9 。 c o m i n 9 7 0 5 6 0 a a l a , q ( 2 ) g a a s 6 a a a s ( 1 ) s l 】b eg a a s 、c h e fa f t e r 也e m a o l b o n f l m g 圜1 1 阴极( 透射式) 反转结构图 透射式g a a s 光电阴极的发展经过一段比较曲折的发展后，在1 9 7 5 年“反转结构” 提出之后得到了快速发展。1 9 7 5 年，美国v a r i a n 公司首先利用“反转结构”制各了透 射式n e a 光电阴极。这种“反转结构”能够解决透射式g a a s 光电阴极实用化过程中 的关键工艺难题。反转结构示意图如图1 1 所示。时至今日，这种由a n t y p a s 等人【埘发 明的在g a a s 衬底上用液相外延法生长g a a i a s ( 1 ) g a a s g a a l a s ( 2 ) 多层结构，然 后粘接到c o m i n 9 7 0 5 6 玻璃上，最后用选择性腐蚀方法除去衬底层( 即图1 1 中g a a s 和g a a i a s ( 1 ) 层) ，从而制成透射式阴极的方法还被广泛地使用。此后，在1 9 8 1 年。 液相外延法又被a e d r e 等人采用的m o c v d 工艺替代，标志着阴极工艺进一步的成熟， 而随着m o v p e ( m o c v d ) 外延技术的发展，“反转结构”技术又得到了进一步提高完 善。目前，像增强器所用的透射式g a a s 光电阴极大多数都是采用m o c v d 生长制成。 1 1 3 变掺杂g a a s 光电阴极 照射在光电阴极上的入射光的能量分为三个部分：被反射、被透射、被吸收。前两 部分能量对光电发射没有贡献，只有被吸收的光才对光电发射有贡献。g a a s 光电阴极 的光学吸收主要是本征吸收，在不影响光电子发射的前提下，吸收的光越多，阴极的光 气 硕士论文g a a s 光电阴极自动激活技术研究 谱响应特性越好。增加阴极对入射光的吸收就需要增大阴极的厚度，而阴极的厚度则取 决于电子在复合前运动的路程，光电子复合前运动的路程越长，阴极的厚度越大。 如果对半导体的不同区域掺入不同的杂质浓度，那么这两个区域会有不同的化学 势，半导体中的电子会由化学势高的区域向化学势低的区域转移，使两个区域的费米能 级逐渐靠近，最终使两个区域的费米能级相同，并由此在两个区域的交界面产生能够使 光电子向表面加速漂移的内建电场。 以 ： l 以z 笔二二二二二 图1 3 和图1 4 分别是变掺杂和均匀掺杂结构g a _ a , s 光电阴极的能带结构图。由于没 有上述特性产生的内建电场，均匀掺杂阴极中的电子只能以扩散的方式向表面运动，而 变掺杂g a a s 光电阴极中的电子则可以在内建电场的作用下以扩散加漂移的方式向表面 运动，增加电子在复合前的运动长度。这一特性使变掺杂g a a s 光电阴极可以比均匀掺 杂g a a s 光电阴极有更大的厚度，有效地提高阴极对入射光的吸收和光谱响应能力。 表面 t入 ( b ) c s - o真空 一 i t 一 光 毛g “s u ? (9 、 表面 一 ( a ) c s 0 真空 i (r 。 一于光 e 蟊 5 g b l a s 9 图1 3 变掺杂g a a s 光电阴极能带示意图 图1 4 均匀掺杂g a a s 光电阴极能带示意图 1 1 4g a a s 光电阴极的参量描述【l l l 阴极的特性参数电子包括电子在复合前的运动长度、电子在阴极表面的隧穿几率、 积分灵敏度和光谱响应特性等。可以通过这些参量对阴极的性能进行评估。 ( 1 ) 阴极的积分灵敏度 阴极的积分灵敏度直观地反映了阴极的光电发射性能，是选择阴极的一个重要的参 考依据。 ( 2 ) 阴极的光谱响应特性 1 绪论硕士论文 光谱响应特性在可响应波段全面地反映了阴极的光电发射能力，显示出阴极对不同 波段入射光的响应特性。 ( 3 ) 电子在阴极表面的隧穿几率 在入射光一定的情况下，电子在阴极表面的隧穿几率越大，能够到达真空的电子越 多，阴极的光电发射性能越好。电子在阴极表面的隧穿几率主要决定于阴极表面势垒， 表面势垒越低、越薄，电子在阴极表面的隧穿几率越高。 ( 4 ) 电子扩散漂移长度和扩散长度 入射光照射变掺杂阴极时，阴极体内激发的光电子一方面在内建电场的作用下向表 面作定向加速运动，一方面通过传统的扩散方式到达表面，这种情况下电子在复合前的 运动路程叫做扩散漂移长度。在均匀掺杂g a a s 光电阴极中，由于不存在能带弯曲和内 建电场，电子只以扩散方式到达表面，这种情况下电子在复合前的运动路程叫做扩散长 度。 电子在复合前的运动路程指的光电子从被激发到被复合期间的运动路程。电子复合 前运动路程越长，到达阴极表面的电子越多，阴极的性能越好。电子在复合前的运动路 程完全是由阴极的体材料特性决定的。阴极的体材料特性越好，电子在运动过程中受到 碰撞和被复合的几率越小，运动路程也就越长。 均匀掺杂阴极中电子的扩散长度可以通过以下关系式表示【1 2 】： z o = 4 r b - ：r 。 ( 1 1 ) 其中，f 为光电子从激发到复合过程的寿命，协为电子的扩散系数。 变掺杂g a a s 光电阴极内建电场为电子提供的能量为： 肚卜一弛等 一一一明n 等) “。丁麓 2 ， 其中e y 是g a a s 体内价带顶能级，肌是g a a s 价带态密度，勃是玻尔兹曼常数， n a b 和n a s 分别为变掺杂g a a s 光电阴极体内和表面的掺杂浓度。 研究发现，获得最高量子效率的掺杂浓度范围在1 0 1 8 1 0 1 9 c l t i 。3 之间。取n a a = i 1 0 1 9 c l l l 一，n a s = l x l 0 1 8c m 一，由( 1 2 ) 式可得，变掺杂g a a s 光电阴极中的光电子可以从内 建电场中获得0 0 6 e v 的能量。可见光激发的光电子在向表面运动的过程中，只受到电 子声子散射，光电子在一次电子声子散射中损失的能量为0 0 1 e v e l 0 1 ，在相邻两次电子 声子散射的间隙，光电子的平均自由程为o 1 岬。 国外外延生长阴极中电子在复合前的运动路程已可以达到6 u m 以上，由于外延器 械的限制，我国外延的阴极现在还没有达到这一水平。 1 1 5g a a s 光电阴极的相关应用领域 间接带隙半导体材料中电子从价带跃迁到导带需要与晶格作用才能达到动量守恒， 4 硕士论文 c , a a s 光电阴极自动激活技术研究 属于间接跃迁，而直接带隙半导体材料中电子从价带跃迁到导带波矢保持不变，跃迁过 程不需要声子的参与，属于直接跃迁。直接跃迁发生的几率是间接跃迁发生几率的1 0 3 倍以上，因此阴极材料优先选择发光效率高的直接带隙的半导体材料。g a a s 就是一种 性能良好的直接带隙的半导体材料，具有很高的量子效率，g a a s 的禁带宽度是1 4 e v ， 和禁带宽度为1 1 e v 的s i 相比，暗发射电流大大降低，并且具有能量分布集中的优点。 基于以上特性，g a a s 光电阴极在夜视和电子源等领域得到了充分的应用。 冷兵器时代结束后，战争发生的时间逐渐向夜间过渡，可以说谁拥有了黑夜，谁就 拥有了胜利。和以多碱阴极为核心的第二代微光探测像增强器相比，以g a a s 光电阴极 为核心的第三代微光探测像增强器具有更宽的响应波段，更大的探测距离，更小的暗发 射电流和更优的成像分辨率。广泛应用于直升机和车辆的夜间驾驶头盔，轻型武器的夜 间瞄准和单兵夜间侦察等方面。近年，第三代微光探测像增强器在两次海湾战争和南斯 拉夫联盟战争中表现出的决定性作用使人们对战争中夜视器件的重要性有了更加深刻 的理解和认识。 民用方面，g a a s 光电阴极作为的电子源材料应用在电子平面印刷术和高性能电子 显微镜。此外，在天文观测、生物监测医疗、环保评估检测等领域都有着良好广阔的应 用前景。 1 2g a a s 光电阴极国内外发展研究近况 鉴于g a a s 光电阴极作为微光成像器件的核心部件和优良的电子源材料在众多领域 得到了广泛的应用，在军事上的作用也日益凸现，各个国家，尤其是军事强国都投入了 大量人力和物力对其进行深入的研究。国外对g a a s 光电阴极的研究启动较早，并且在 g a a s 材料生长、表面分析和超高真空实现等关键技术上较为完善，发展很快。现在诸如 美国、俄罗斯、法国、英国在高性能g a i s 光电阴极的制备方面都已达到了很高的水平， 其中以美国的制备水平最高。 现在国外制备的反射式g a a s 光电阴极的积分灵敏度可达2 0 0 0 1 x a l m 以_ l ，部分阴极 的积分灵敏度甚至达到了3 0 0 0 灿以上【l 孓1 4 】，这种高性能的反射式光电阴极在二十世 纪六七十年代就已应用于光电管等方面。透射式g a a s 光电阴极的积分灵敏度也已经达到 了1 6 0 0 肛m m 以上，一些制备过程相对完善的阴极的积分灵敏度还达2 3 0 0 1 x a l m 。以透射 式g a a s 光电阴极为核心组成部分微光夜视器件在二十世纪八十年代中期就已商品化。 从二十世纪七十年代开始，国内先后有西安应用光学研究所、中国科学院西安光学 精密机械研究所、中国科学院电子研究所、南京理工大学、福州大学和中国电子集团南 京5 5 所等。经过几代研究人员三十多年的努力，形成了以南京理工大学常本康教授课题 组和西安应用光学研究所国家微光重点实验室为核心的研究体系，在g a a s 光电阴极相关 理论和制备工艺方面都已取得了可观的进步，创新性地提出了变掺杂g a a s 光电阴极的概 5 1 绪论 硕士论文 念，弥补了我国g a a s 光电阴极材料中电子扩散长度不足的缺点，研制了可以对阴极激活 过程中光电流、真空度和c s 、o 电流进行记录和控制的g a a s 光电阴极多信息量制备系统， 有效地提升了我国高性能g a a s 光电阴极的制备水平，现在我国反射式g a a s 光电阴极的 积分灵敏度已可达2 0 0 0 山川m 以上，透射式g a a s 光电阴极的积分灵敏度也已达 1 0 0 0 9 a l m 以上，具备了实用化的条件。 1 3 本文的主要工作及意义 目前微光探测像增强器已经发展到第四代，其中较为先进的第三代和第四代微光探 测像增强器都采用g a a s 光电阴极作为光电转换的核心部件。目前虽然国内对g a a s 光 电阴极的制备已达到了较高的水平，但g a a s 负电子亲和势光电阴极的激活制备过程仍 处于人工操作阶段，无法批量生产高性能g a a s 光电阴极已成为制约阴极进一步发展和 实用化的瓶颈问题。人为因素造成的误差会在很大程度上限制g a a s 光电阴极的成品率， 如果由计算机精确控制g a a s 阴极的激活过程，则可避免人为因素带来的不确定性和对 经验的依赖，显著提高阴极的成品率和生产效率。本文研究内容是国防科技重点实验室 建设项目“在线光阴极量子效率光谱仪的主要组成部分。本论文以该项目为研究背景， 研制了g a a s 光电阴极自动激活系统，在查阅大量文献的基础上完成了以下工作： ( 1 ) 研究了n e ag a a s 光电阴极国内外的发展现状，分析了g a a s 光电阴极的性 能参量，并且学习了这些参量对光电阴极激活工艺的影响。 ( 2 ) 研究g a a s 光电阴极激活工艺及原理，根据规范的激活工艺及流程，设计硬件 结构，编写软件实现c s 、o 自动激活，研制出g a a s 光电阴极自动激活系统，以利于工 业生产。该系统可以根据需要在激活过程中通过计算机自动控制c s 、o 激活过程，在过 程中实时描绘光谱响应曲线，保存数据，并且可以对一些异常情况进行处理。同时，在 激活进行过程中，可以实现手动、自动切换。 ( 3 ) 研究光谱响应测试原理，在原有光谱响应测试系统的基础上进行修改完善， 扩大了光谱响应测试范围，该软件实现了测试信息量多元化，能够较全面地反映阴极制 备过程中各种物理量的变化规律，根据参量进行一些计算，从而为阴极加热净化工艺和 表面激活工艺进行深入的理论研究提供依据。 ( 4 ) 完成“在线光阴极量子效率光谱仪”整个系统的硬件设计，软件编写。完成 对系统的安装调试，在国内首次实现对g a a s 光电阴极的自动激活控制。利用该系统进 行自动激活实验，并对结果进行分析。 6 硕士论文g a a s 光电阴极自动激活技术研究 2g a a s 光电阴极自动激活工艺研究及光谱响应测试原理 2 1g a a s 光电阴极的c s 、o 激活工艺 在g a a s 光电阴极五十多年的研究过程中，经过研究人员的不懈努力，虽然对于c s 、 o 激活过程中g a a s 表面势垒降低的机理和c s 、o 在g a a s 光电阴极表面的化学状态仍 有分歧和争论，但负电子亲和势光电阴极的c s 、o 激活技术和制备工艺却已日趋成熟和 统一。 负电子亲和势g a a s 光电阴极的激活制备是指在达到原子级清洁的p 型g a a s 材料 表面通过交替覆盖c s 、o 的方式来降低其表面势垒，使到达g a a s 材料表面的体内电子 能够通过隧穿效应逸出到真空。目前普遍采用的激活制备工艺是b j s t o c k e r 在1 9 7 5 年 提出的“高低温激活法， 1 5 】，这种方法分为两个阶段，第一阶段是在标准的退火净化后 对其进行c s 、o 交替激活，第二阶段是在第一阶段的基础上再来一次温度相对较低的退 火过程和c s 、o 交替过程。通常来说，第二阶段激活后阴极的积分灵敏度要比第一阶段 激活后阴极的积分灵敏度高3 0 左右。 在这项激活制备工艺中，影响激活后g a a s 光电阴极积分灵敏度的主要因素包括c s 、 o 层在阴极表面排列的有序性和阴极表面的原子级清洁程度，而阴极表面的原子级洁净 程度依赖于激活系统的真空度情况和表面净化工艺。 2 1 1 阴极的表面净化工艺 在g a a s 光电阴极研究的早期，研究人员通过在超高真空系统中解理g a a s 晶体的 方式来获得原子级清洁的g a a s 表面，这种方法较为复杂，不利于g a a s 光电阴极的实 用化，且不能获得最适宜于光电发射的g a a s ( 1 0 0 ) 面，所以逐渐被外延生长的方法取 代。外延生长法可以批量生产较低缺陷，较大面积的g a a s 层，但外延生长的g a a s 材 料在从生长室中取出后都要暴露大气，在材料表面形成氧化物、碳化物和油脂等，严重 影响阴极的性能。 材料表面的氧化物、碳化物和油脂对阴极的性能主要有以下两方面的影响【1 6 j 7 】： ( 1 ) 氧化物、碳化物和油脂占据了激活过程中c s 、o 在阴极表面应该占据的位置， 使c s 、o 激活过程无法有效地降低阴极表面势垒。 ( 2 ) 氧化物、碳化物和油脂增加了阴极表面势垒的厚度，大大降低了到达阴极表 面电子的隧穿几率。 为了消除氧化物、碳化物和油脂对阴极性能的影响，在进行c s 、o 激活前必须对阴 极表面进行净化处理陋捌。本文采用退火法清洁阴极表面，实验采用的是反射式p 型 g a a s ( 1 0 0 ) 基片材料，材料的掺杂浓度为l x l 0 1 9 c m - 3 ，掺杂元素为z n 。阴极表面净化 过程分为两阶段进行【2 蚴】：首先是化学清洗，然后是加热净化。 7 2g a a s 光电阴极激活工艺研究及光谱响应测试原理 硕士论文 ( 1 ) 阴极表面化学清洗 对阴极表面进行化学清洗是使用氢氟酸、丙酮、乙醇、去离子水等去除油脂 2 3 - 2 4 】 和部分氧化物，为退火净化作准备。 ( 2 ) 阴极表面高温净化 2 5 _ 2 8 】 退火净化的目的是为了去除化学清洗后残留在阴极表面的碳化物和氧化物等杂质， 其中氧化物在阴极表面主要表现为a s o 、g a o 、g a 2 0 3 等形式。在退火净化的过程中， 阴极表面的氧化物和碳化物在一系列化学反应后转变为气体的形式，然后被超高真空系 统的离子泵抽走，使阴极表面达到原子级清洁。 合理的退火净化工艺应该在充分清除表面氧化物和碳化物的前提下，使阴极表面 g a 原子和a s 原子的比例保持在一定的范围，避免表面出现g a 岛，同时还要考虑超高 真空系统离子泵的抽速，保证退火过程中系统的真空度保持在较高的水平，以免杂质气 体分子再次沉积到阴极表面【2 9 3 0 1 。 2 1 2 阴极的表面模型 在g a a s 光电阴极的发展过程中，人们提出了很多模型来解释表面势垒的变化过程 及逸出功的降低机理，推测c s 在g a a s 材料表面存在的化学形态。目前为止，解释零 电子亲和势成因的主要有异质结模型、双偶极子模型、铯的弱核力场模型、表面非晶态 模型及群模型。其中双偶极子模型是目前被接受面最广的模型，目前较为完善的双偶极 子模型主要有两种。 1 9 7 3 年f i s h e r 等研究人员对激活后阴极表面c s 、o 层进行了测试，在考虑到达阴 极电子较高的隧穿几率后提出了 g a a s c s c s + 0 2 c s + 结构的双偶极子模型，如图2 1 所示。f i s h e r 认为一部分c s 原子的最外层电子转移至g a a s 材料的表面态，然后c s + 与 g a a s 材料的表面态形成第一个偶极层，这个偶极层将阴极的表面真空能级降低到 1 4 e v ，达到零电子亲和势。第二个偶极层则是由c s 、o 交替过程形成的 c s + o - - c s + 】 结构中靠近阴极表面的c s + 和0 5 原子极化形成的，阴极表面的真空能在两个偶极层的共 同作用下降低到0 9 e v ，阴极达到负电子亲和势的状态。这种模型中第一个偶极层的厚 度为1 6 9a 左右，第二个偶极层的厚度为6 a 左右，激活后阴极表面势垒的总厚度在8 a 左右，适宜于电子隧穿逸出到真空。 f i s h e r 提出的模型较好的解释了激活后g a a s 光电阴极的表面势垒厚度，但却不能 解释“高低温激活法”低温激活后阴极比高温激活后阴极的积分灵敏度高3 0 左右的问 题。1 9 8 3 年，s u 等研究人员在对激活后阴极表面g a 、a s 、c s 、o 等的化学状态进行分 析的基础上对f i s h e r 的双偶极层模型进行了改进，提出t g a a s 0 c s c s o c s 结构的 双偶极子模型，如图2 2 所示。这种模型中激活后阴极的表面势垒厚度在1 0 a 左右，且 在第一层偶极层中考虑了氧的作用，为解释阴极的高低温激活现象提出了一种可能。但 2g a a s 光电阴极激活工艺研究及光谱响应测试原理 硕士论文 c s 进o ；光电流再次上升，达到新的峰值后，再停o 进c s ，如此反复直到交替过程中 光电流不再上升； ( 2 ) 连续进c s ，断续进o 的c s 、o 激活方式：激活过程中持续进c s ，首次进c s 到光电流达到峰值后开始进o ，光电流达到新的峰值后，停0 ，待光电流下降到当前峰 值的8 5 后再进o ，如此反复直到激活过程中光电流不再上升； ( 3 ) “n a g o y a 零点激活法”：首次进c s 到光电流达到峰值，此后光电流开始下降， 待光电流降至零后进o ，等到光电流达到新的峰值后，停o ，如此反复直到激活过程中 光电流不再上升。 ( 1 ) 和( 2 ) 是目前被广为接受的两种c s 、o 激活方式 3 卜3 4 】。实验证明，这两种激 活方式的效果没有明显的差别。这里采用的是操作相对简便的c s 源连续，o 源断续的 激活方式，首次在室温下进c s 这步很重要，根据偶极层模型，随着c s 的进入，表面吸 附c s 原子后，吸附原子的价电子转移到较低能级的表面态，由c s 离子层与占据表面态 形成的负电层构成偶极层使逸出功下降。在工艺比较理想的情况下，首次给c s 后应为 零电子亲和势。随着c s 的不断进入，阴极产生光电流且不断增大，并在达到首个峰值 后开始下降，当光电流达到下降首个峰值的8 5 时开始打开o 源，进行c s 、o 交替。 当达到新的峰值时关o ，关o 后光电流开始下降，当光电流下降到最近峰值的8 5 时 再开o ，c s 、o 交替如此反复，直至光电流不再上升为止。 激活过程中，由白光光源照射在阴极面上产生的光电子在高压阳极的收集下产生光 电流，光电流经放大后由计算机通过a d 采集卡采集。计算机对光电流的实时变化情况 进行判断，并在判断的基础上通过自动的自适应控制算法来准确及时地控制c s 源程控 电源和o 源程控电源的电流输出大小及通断，计算机对程控电源的控制精度达到 0 0 0 1 a 。严格按照标准激活方式在g a a s 阴极表面交替覆盖c s 、0 ，有效地避免误操作， 以达到自动制备高性能g a a s 光电阴极的目的。 2 2g a a s 光电阴极的光谱响应与量子效率 2 2 1 光谱响应的定义 光电阴极的光谱响应( 也称光谱特性) 的定义是光电阴极的光谱灵敏度随入射光谱 的分布。具体地说，将单色入射光照射到光电阴极表面，阴极接受单色光照射产生光电 流，若单色光的辐射功率为w 以) ，产生的光电流为j 虢) ，则阴极的光谱灵敏度3 5 3 7 】 为： 跗) = 器 ( 2 1 ) 光电阴极的光谱响应曲线是指将光电阴极对应的入射光谱中单独的每一个单色光 1 0 硕士论文 g a a s 光电阴极自动激活技术研究 的光谱灵敏度连成一条曲线，得到的曲线就称为光谱响应曲线。阴极的光谱响应能够直 接反映阴极的具体光电发射本领，因此是光电阴极最重要的特性之一，也决定了像增强 管传输图像的对比度和亮度。光谱响应还在很大程度上决定了光谱匹配系数，因此在微 光夜视领域，光谱响应也是选择阴极的一个重要依据。同时，光谱响应与入射光源无关， 仅仅是阴极本身的特性决定的。在测试中获取阴极的光谱响应特性时，将某一具体波长 的光入射到阴极面，得到阴极产生的光电流，通过计算得到阴极的光谱灵敏度。 量子效率是实际应用中表示阴极光谱响应特性的一个重要参数 3 8 - 3 9 】，它的定义是指 一个光子入射到光电阴极表面上，使得阴极发射光电子，发射的光电子数与入射到光电 阴极上的光子数比值，用】，倪夕表示时，公式如下： m ，= 慧器器 2 ， 在反映光电阴极特性的时候，人们常用的两种表现形式就是量子效率和光谱响应。 量子效率表示是对一个光子而言的，波长不同，每个光子能量也不同，因此量子效率曲 线也称为等量子曲线，横坐标表示的是光子能量；光谱响应是指对入射单位能量的响应， 因此光谱响应曲线也称为等能量曲线，横轴表示波长。 人们在对光电阴极的性能进行理论研究时大多数使用量子效率表示形式，而在描述 光电阴极性能时大多使用光谱响应表示法，光谱响应也是实际测量中比较容易获得的。 这两者可以通过一定的方式进行相互转换，只要知道其中一个，另外一个也就能够计算 得到，具体转换方式如下式： 】，( 旯) ：h c s ( 名) 1 2 4 业 ( 2 3 ) e 2 , 。 五 上式中h 是普朗克常数，c 表示的是光速，e 表示的是电子电荷量，sn 夕是光谱 灵敏度( 单位为m a w ) ，a 是入射光子的波长( 单位为n m ) 。 2 2 2g a a s 光电阴极量子效率公式 ( 1 ) 均匀掺杂g a a s 光电阴极量子效率公式 均匀掺杂阴极中表面和体内存在电子浓度梯度差，电子以扩散的方式运动到表面， 可以通过在相应的边界条件下求解电子扩散方程来得到阴极的量子效率公式一叫3 1 。 电子在反射式均匀掺杂阴极中所遵循的一维连续性方程为： d 2 n ( x ) d x 2 一靠( 功琶= - g ( x ) d ( 2 4 ) 其中x 是阴极体内某点到其表面的距离，z 是阴极体内x 点处电子的浓度，贴) 是阴极体内x 点处的电子产生率。 g = ( 1 一r ) 厶e x p ( - a x ) ( 2 5 ) 2g a a s 光电阴极激活工艺研究及光谱响应测试原理 硕士论文 p d 。罕k 刀c 功= q e x p ( _ 专) + q 唧( 专 + 1 磊2 2g c 力 c 2 m m ，= 搿溢卜训一e 文一割 眨9 ， 射= 鬻 ( 2 1 0 ) 眈乳娟吨一b o( 2 y舀匀透射ij三三塞三；茎主；善茎三：毒薹|；薹茎琴主圣翩巾。一瓦，c 2 2 ， e x p ( 一口疋) 眵，c 0 s h ( ) + ( d 。厶) s i l l l l ( 正肛d ) i， 一i ( 见厶) c o s h ( t 如) + s ，s i l l l l ( z k )d 八j 1 2 硕士论文 g a a s 光电阴极自动激活技术研究 见警一例警一半+ 略( 1 咽e x p 疋叫】：o ，x o ，乏】 ( 2 1 3 ) 见等卅警一半+ 砜蚓删= ”，x 蚓( 2 1 4 ) l 见掣一j e k ( 功l | 脚= 品玎( 刮脚，力( 乏) = o 。 ( 2 1 5 ) 】，；釜掺杂反射i二墓三一罟+口如三。，(2_6， j 型! 兰二竺生里1 2 竺里区墨墨! 三墨旦：二竺生2 互j 一旦+ 戊，【 lmm”“l k 掺杂投射2i p ( i 1 - r 而) c t h v l d i 尘丛兰! 叠兰2 | 是芋幽一t qe x p ( - a h t d 一口h 三。e x p ( - 口h z ) i imm ”“一 ”“l 热= 厅面，s = 品叫司，k 洲仁器。 2g a b s 光电阴极激活工艺研究及光谱响应测试原理 硕士论文 图2 4 光谱响应测试原理图 进行光谱响应测试时，卤钨灯光源发出的光经过光栅单色仪分成单色光，单色光通 过光纤照射到阴极面，阴极受光照后产生微弱的光电流，光电流经微弱信号检测模块处 理后，由a d 采集卡采集送入计算机，计算机将传入的光电流数据和对应的单色光辐射 功率按照一定的公式进行相关处理，即可描绘出光谱响应曲线。 在测试过程中，光源的选择也具有一定的要求，首先要具有一定的发光强度，具有 良好的稳定性，并且能够测试不同阴极。在不同波长范围内，光源选择也不同，在可见 光范围内可以选择钨丝白炽灯，近红外区则有卤钨灯满足要求，紫外区可以选择水银灯 作为光源。为了得到阴极的绝对光谱响应还要对光源进行严格标定。 实验所用的光栅单色仪，要求能够产生单色性较好的单色光，而且与计算机之间的 通讯要简便稳定，便于控制光栅单色仪进行扫描，要求测试精度高，可用来测试绝对光 谱响应【“4 6 1 。 2 3 2 光谱响应与积分灵敏度 光电阴极在实际使用过程中常常是在一定的光源照射下工作的，光源发出的光波长 是一系列的连续频谱。有时为了比较光电阴极的性能，就需要了解在具有连续频谱的光 源照射下，光电阴极发射光电流的能力，因此有了积分灵敏度的概念。 光电阴极的积分灵敏度以一个数字的形式简单地就能够使人们了解到阴极的光电 发射水平，对于比较光谱响应类似的光电阴极具有很好的指示作用【4 7 1 。因此在生产和科 研中都是一个相当重要的光电参量。 积分灵敏度是指光电阴极在一定光源照射下，单位光通量所产生的光电流，单位是 p a l m 。由于积分灵敏度除了和阴极本身的光谱响应有关外，还与入射光源的辐射光谱 分布有密切关系。当入射光源不同时，光源的辐射光谱分布也不一样，即使转化成的光 通量相同，阴极也不一定产生相同的光电流。所以定义中的“一定光源”很重要，只有 限定光源的光谱发射时，积分灵敏度的比较才是有意义的。 但是在实验中对积分灵敏度进行直接测定比较复杂。首先要标定光源的色温、发光 强度或光照度( 通常在标准计量单位进行) 。然后由标定的发光强度或光照度结果计算 被测阴极所接收到的光通量大小。最后将标定好的光电阴极、光源、测试电路放在暗箱 内进行测试，使用暗箱是为了消除周围环境的影响，从而提高测试精度。在知道光电阴 1 4 硕士论文 g a a s 光电阴极自动激活技术研究 极的光谱响应情况下，可以直接计算得到阴极的积分灵敏度。其计算方法如下： 根据定义可知，光源的光通量表示为： v = 6 8 3 j 8 0 矿( 见) 形( 五) 以 其中形m 夕表示标准入射光源的辐射光谱分布，矿以) 为视见函数， 谱光视效率。 当阴极的光谱灵敏度为sm 夕时，光源照射阴极所发出的光电流，为： i = ls ( 五) 形( 允) c 现 因此阴极的积分灵敏度为： ( 2 1 8 ) 即人眼的光 ( 2 1 9 ) 踮熹：丝 2 。， ”6 8 3 f 1 8 ：v ( t ) w ( i ) d t 上述公式中的vm 夕和w 以) 为已知量，因此只要知道阴极的光谱响应分布，根 据公式转换，编写相应的计算机程序，就能够将光谱响应转换为光电阴极的积分灵敏度。 包括n e a 光电阴极在内的所有光电阴极都适用这种简单快捷的计算方法。 1 5 3g a a s 光电阴极自动激活系统研制 硕士论文 3g a a s 光电阴极自动激活系统研制 在线光阴极量子效率光谱仪是国防科技重点实验室建设项目主要组成部分。该光谱 仪主要用于在计算机自动控制下对g a a s 光电阴极进行自动激活，对阴极光电流工艺曲 线和相关工艺参数可实时显示、存储、打印和查询；